全生物降解渗水地膜覆盖冬播谷子产量结构关系分析

李瑞珍， 姚建民*， 王忠祥， 高凤翔， 窦贵新， 杨瑞平，刘钊， 张继， 张振宇

（1.山西农业大学农业经济管理学院，太原 030006； 2.中国农村技术开发中心，北京 100045； 3.中国科学院长春应用化学研究所，长春 130000； 4.长治市农业技术推广中心，山西 长治 046000； 5.山西农业大学园艺学院，太原 030006； 6.清水河县农牧技术推广中心，内蒙古 清水河 011600）

春季干旱是我国北方谷子主产区面临的共性难题。全生物降解渗水地膜覆盖冬播谷子是一项有机旱作新技术[1]，借鉴以往冬播谷子经验，应用新的技术方法[2]，可以实现“秋雨冬储春用”，有效缓解长城沿线半干旱生态区常年易发生的春夏连旱难播种问题，也能够将生育期较长的优质谷品种的种植向高纬度和高海拔生态区延伸，拓展优质谷的适宜种植区域。生物降解渗水地膜[3]覆盖冬播谷子还具有抗倒、抗病、早熟、优质、高产、环保和调节劳动力年内季节分配等优势[4]，研究冬播谷子的农艺性状，找出不同品种不同区域冬播谷子有机旱作的生长发育动态规律，提出针对性的、有效的生产管理措施，对推广冬播谷子种植技术、促进生物降解渗水地膜覆盖有机旱作产业发展[5]和充分利用降水资源[6]、指导渗水地膜旱作农业[7]生产保障粮食安全具有重要战略意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为‘晋谷21号’‘晋汾107号’‘长杂466号’和‘晋谷56’。

试验用地膜为1300 mm×0.007 mm聚甲基乙撑碳酸酯（poly propylene carbonate，PPC）全生物降解渗水地膜[8]和600 mm×0.01 mm聚乙烯（polyethylene，PE）普通地膜，由山西微通渗水膜生物科技有限公司生产。

试验用铺膜播种机为2MB-1/3铺膜谷子穴播机和2MB-1/2铺膜谷子穴播机，由山西省长治市神禾永成农机科技开发有限公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 种植模式设计 冬播谷子有机旱作试点区：采用PPC基全生物降解渗水地膜覆盖冬播谷子机穴播种植模式[9]，播种方式为2MB-1/3铺膜谷子穴播机，1膜3行，膜上全覆土，种植带宽150 cm，穴距20 cm，每穴下种7～10粒。2021年11月初完成整地，施腐熟牛羊粪45 m3·hm-2，采用谷种透气低温憎水包衣剂[10]进行种子包衣，可防止霉变和控制种子10 ℃以下处于疏水状态不发芽。山阴县试点和浑源县试点播种时间为2021年11月20—26日；长治市屯留区试点和潞城区试点播种时间为2021年12月11—15日。

春播谷子有机旱作试点区：2021年11月5日整地，施腐熟牛羊粪45 m3·hm-2，采用生产上常用的PE普通地膜覆盖春播谷子机穴播种植模式，用2MB-1/2铺膜谷子穴播机，1膜2行，种植带宽150 cm，穴距20 cm，每穴下种6～8粒，播种时间为2022年4月16日。

1.2.2 田间设计 晋北试点设山阴县双山村和浑源县洪水村2个试验点；晋东南试点设潞城区黄牛蹄村、驮坡村、楼后村和屯留区岗上村4个试验点。

山阴县双山村冬播谷子有机旱作试点，2021年11月20日冬播‘晋谷21号’（处理Ⅰ）和‘晋汾107号’（处理Ⅱ），种植面积分别为8和4 hm2；2022年4月16日春播‘晋谷21号’作为对照（CK），种植面积1.33 hm2。试验示范种植面积13.33 hm2，地力均匀，大区连片种植采用顺序排列，2022年9月30日收获。

浑源县洪水村冬播谷子有机旱作试点，2021年11月26日冬播‘晋谷21号’（处理Ⅲ），种植面积2 hm2，2022年10月1日收获。

潞城区黄牛蹄村、驮坡村和楼后村冬播谷子有机旱作试点，2021年12月12—15日冬播‘晋谷21号’（分别记作处理Ⅳ、处理Ⅴ和处理Ⅵ），种植面积均为1.33 hm2，2022年9月1日收获。

屯留区岗上村冬播谷子有机旱作试点，2021年12月11日冬播‘晋谷56’（处理Ⅶ）和‘长杂466号’（处理Ⅷ），种植面积均为0.67 hm2，2022年9月1日收获。

1.3 测定项目

2022年5月12日，对冬播谷子有机旱作各试点进行死苗率调查，每个试点调查面积6.67 m2，样点3个，死苗数在总苗数中的占比为死苗率，以百分数表述。冬播谷子有机旱作收获期取样测试时间为：屯留区和潞城区，2022年8月29日至9月1日；浑源县试点，2022年9月25日；山阴县试点，2022年9月29日。分别按照样点取样法测定各处理的株高、茎粗、白发病发病率、成穗数、穗粒数、千粒重、产量等农艺性状。

1.4 测定方法

按照种植方式和品种，在田间每个处理选取3个样点，计数样区6.67 m2面积内株高、茎粗、成穗数，切穗脱粒后称重，测出平均含水率并按13.5%折算标准干重，计算平均穗粒标准干重和单位面积产量。

由于2022年北部霜冻发生在9月22日，比常年提早了7 d左右，部分谷子未能完全成熟，秕谷率高[11]，为了更准确地表述真实产量，将样点谷子取回后进行室内考种，剔除秕谷后进行饱满谷产量计算。秕谷是指将收获的谷穗除去枝梗和刚毛以及未发育成完全小花的稃片后灌浆不饱满的谷子，可通过风选法和水选法取得。

然后，对每个去掉秕谷后的样品采用四分法取样，重复3次测定每个样品的饱满谷平均千粒重，再根据计算出的平均穗粒干重与饱满谷千粒重，折算出饱满谷穗粒数后进行统计分析。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 26.0统计软件处理分析，对测试结果进行方差分析并用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同冬播谷子试验区不同品种的农艺性状表现

不同处理冬播谷子与早春播谷子晚霜后的农艺性状如表1所示，2022年5月12日晚霜冻过后测定的处理Ⅰ、处理Ⅱ、处理Ⅲ和CK的死苗率分别为31.5%、32.0%、34.5%和32.5%，而处理Ⅳ～Ⅷ的死苗率为0%，与CK差异显著。北部试点（处理Ⅰ～Ⅲ）3个冬播处理和早春播的对照晚霜冻过后的死苗率均高达31.5%以上，且四者之间无显著差异，说明晚霜冻会对北部地区冬播谷子和早春播谷子产生较为严重的冻害，而处理Ⅳ～Ⅷ的死苗率为0%，说明晚霜冻对晋东南试点的冬播谷子影响不大。

表1 不同处理冬播谷子与早春播谷子晚霜后的农艺性状Table 1 Agronomic characters of winter sown millet and early spring sown millet under different treatments after late frost

2022年8月29日在晋北试点、2022年9月29日在晋东南试点取样测定收获前植株高度，处理Ⅰ、处理Ⅱ、处理Ⅶ、处理Ⅷ和CK的株高分别为132、130、150、130和145 cm，可以看出，与CK相比处理Ⅰ、处理Ⅱ、处理Ⅷ可显著降低植株高度，而处理Ⅳ、处理Ⅴ、处理Ⅵ可显著增加植株高度；处理Ⅲ、处理Ⅶ与CK的高度无显著差异，可能与管理措施不同有关；处理Ⅰ冬播‘晋谷21号’谷子在山阴县双山村株高132 cm，与CK早春播‘晋谷21号’谷子在山阴县双山村株高差异明显，说明同一品种冬播的株高比春播的降低明显。进一步分析可以看出，在晋北试点冬播‘晋谷21号’的株高比在晋东南潞城区黄牛蹄村（162 cm）、驮坡村（162 cm）和楼后村（163 cm）的株高降低15.5～30.0 cm，说明冬播谷子在北部种植株高会变矮。

从表1可知，冬播谷子各个处理的成熟期茎粗为6.4～7.8 mm，CK的茎粗为5.3 mm，说明冬播谷子能够显著增加谷子的茎粗。

从表1中还可以看出，处理Ⅱ、处理Ⅲ之间秕谷率无显著差异，处理Ⅳ、处理Ⅴ、处理Ⅵ、处理Ⅶ之间秕谷率无显著差异，与处理Ⅰ（48.09%）和CK（63.86%）差异显著，处理Ⅰ和CK之间秕谷率差异显著。处理Ⅰ和CK秕谷率高的主要原因是2021年9月22日发生重霜冻，冬播‘晋谷21号’和早春播‘晋谷21号’未成熟遭受冻害所致，处理Ⅰ的秕谷率比CK相对低的原因是冬播‘晋谷21号’比早春播‘晋谷21号’谷子的成熟度好。秕谷率高不但影响产量，而且还会减少优质饱满度好的优质谷的比例[12]。同样是冬播‘晋谷21号’谷子品种，处理Ⅲ浑源县洪水村的秕谷率为34.25%，显著低于处理Ⅰ山阴县双山村（48.09%）13.84个百分点，调查其原因是处理Ⅲ增施了600 kg·hm-2磷酸二氢钾底肥和在孕穗期追施了150 kg·hm-2尿素，而处理Ⅰ只施用有机肥，说明施肥促进了生长发育并能提早成熟。

从表1中还可以看出，处理Ⅰ山阴县双山村冬播‘晋谷21号’的产量为3694.65 kg·hm-2、处理Ⅱ冬播‘晋汾107号’的产量为3661.95 kg·hm-2，二者无显著差异，与CK早春播‘晋谷21’产量差异显著，分别增产10.04%和9.43%；与处理Ⅲ～Ⅷ的产量水平有显著差异，处理Ⅲ～Ⅷ的产量分别比CK增产74.63%，61.99%，115.73%，82.69%，93.59%和68.48%；8个冬播谷子处理的平均产量水平为5749.23 kg·hm-2，比CK增产71.29%，说明冬播谷子增产幅度大。

2.2 不同区域不同样点的冬播谷子产量水平与产量结构关系分析

通过变异系数分析可知（表2），冬播谷子的产量变幅最大，采取技术措施调控产量的空间最大。在产量构成因子中，水选后的千粒重（X3）分布在3.25～3.40 g之间，变异系数最小，说明谷粒达到饱满后的调控空间不大；饱满穗粒数（X2）在3529～7926粒之间，变异系数较大，说明采取措施调控穗粒数的空间大；成穗数（X1）分布在22.50万～45.75万穗·hm-2，变异系数较大，说明采取技术措施调控成穗数的空间也较大。

表2 各试点冬播谷子产量与产量结构Table 2 Yield and yield structure of winter sown millet in test site

LnX1、LnX2、LnX3分别是成穗数X1、饱满穗粒数X2、饱满千粒重X3的自然对数，可缩小数据的绝对数值变动范围，解决数据的异方差问题。LnX1与LnX3、LnX2与LnX3属于中低度相关，且显著水平较高，因此进一步采用VIF法检验回归模型的多重共线性问题，结果VIF值为1.29＜10，表明该模型通过检验。

通过成穗数LnX1、饱满穗粒数LnX2和饱满千粒重LnX33个产量构成因子的相关系数的相关分析（表3）可知，在相关关系中，LnX2与LnX3相关系数最大，说明籽粒越饱满谷穗的饱满籽粒数就会越多；LnX1与LnX3的相关系数较大，说明成穗数多时，籽粒饱满的几率也大；LnX1与LnX2的相关系数最小，说明成穗数与饱满穗粒数的相关性不密切；虽然3个产量构成因子间的相关系数差异达到显著水平，表现为X3水选后的千粒重与X2穗粒数r32＞X3水选后的饱满千粒重与X1成穗数r31＞X2穗均饱满谷籽粒数与X1成穗数r21，但相关数值不大，说明3个产量构成因子的相关性不强。

表3 产量构成因子的相关分析Table 3 Correlation analysis of yield component factors

通过对表2进行回归分析，其回归方程如下。

从表4可知，冬播谷子产量构成因素中的水选后千粒重（X3）的回归系数b3=1.113＞穗粒数（X2）的回归系数b2=1.003＞成穗数（X1）的回归系数b1=0.980；用回归系数的相对占比计算出各产量结构因子的贡献率[13]，成穗数（X1）的贡献率为100×b1/(b1+b2+b3)=31.65%、穗粒数（X2）的贡献率为100×b2/(b1+b2+b3)=32.40%、水选后的千粒重（X3）的贡献率为100×b3/(b1+b2+b3)=35.95%，虽然水选后的千粒重（X3）的贡献率＞穗粒数（X2）的贡献率＞成穗数（X1）的贡献率，但3个产量构成因子的贡献率数值接近，说明3个产量构成因子对产量的贡献率基本相当。因此，冬播谷子获得高产的重要技术途径是三者齐头并进一起抓，应采取的措施是选择大粒品种追施穗肥促进籽粒饱满、加强生育期管理促进成熟增加穗均饱满谷籽粒数和加大播种密度增加成穗数。从表2中可以看出潞城区驮坡村冬播‘晋谷21号’产量最高，其结构组成是饱满千粒重最大、成穗数最多并维持了较多的饱满穗粒数，三者共进获得高产，也佐证了上述结论。

表4 冬播谷子产量水平与产量结构回归分析Table 4 Regression analysis of yield level and yield structure of winter sown millet

3 讨论

3.1 谷子冬播比早春播长势壮、产量高和成熟度好

尽管全生物降解渗水地膜冬播‘晋谷21号’比早春播‘晋谷21号’谷子株高降低14 cm、茎粗增加1.7 mm、产量增加10.40%，但由于在晋北冷凉半干旱区的山阴县双山村种植区2022年的无霜期较短、有效积温较低，无论‘晋谷21号’是冬播或早春播水选法测定的秕谷率却高达48.09%和63.86%，比在同一地点种植的冬播‘晋汾107号’的秕谷率分别高13.97和29.74个百分点，比在晋东南试点种植的冬播‘长杂466号’的秕谷率分别高23.50和39.27个百分点。2022年在内蒙古清水河县韭菜庄村试验的早春播‘晋谷21号’同样受到早霜冻危害，其水选法测定的秕谷率也高达45.58%。因此，在北部地区冬播和早春播谷子品种应选择生育期较短、产量潜力大的优良品种才能降低秕谷率、提高产量。降低秕谷率除了要具备良好的气候条件及土壤肥力等基本条件外，应针对秕谷产生的生物学、生长发育营养原因等采取一系列的养根保叶促灌浆促成熟措施。我国北方谷子生长季气候温度适宜度呈现由东向西、由南向北递减的规律[14]，合理设计冬播谷子的种植模式，可以将优质谷子品种的适宜区北移2个纬度或上移200 m的海拔高度。

3.2 提高冬播谷子产量需对3个产量构成因子一起抓

本试验中，冬播谷子水选后千粒重和穗粒数以及成穗数3个产量构成因子的贡献率基本一致，所以应对3个产量构成因子针对品种特性补短板，齐头并进一起抓。比如‘晋谷21号’的特点是谷码紧实，虽然穗粒数较多，但单穗饱满籽粒数较少，需要重点加强成熟度管理，采取喷施叶面肥和植物生长调节剂能不同程度提高谷子的净光合速率、气孔导度、光化学荧光猝灭系数、电子传递速率、PSⅡ实际光化学效率等，从而改善谷子穗部性状，增加单穗饱满籽粒数和饱满籽粒重[15]，也可以采取喷施磷酸二氢钾和芸苔素等措施，促进成熟增加单穗饱满籽数，在此前提下加大播种密度提高成熟穗数就能提高冬播‘晋谷21号’的产量。

3.3 全生物降解渗水地膜冬播杂交谷成苗率低，潜力有待挖掘

在屯留区岗上村试点的冬播‘长杂466号’，由于其发芽成苗率仅有35%左右，冬播按照7～10粒下种量偏小，春季出现了基本苗数不足的问题，虽然成熟度高、单穗籽粒数多、千粒重大、秕谷率少，但由于成穗数仅有26万穗·hm-2左右，需要加大播量到14～16粒才能保证一定的成苗率提高产量。由于杂交谷种子价位高，加大播量就会带来投入成本的增加，推广时要综合考虑，选择经济适宜的播量。

3.4 冷凉半干旱区生物降解渗水地膜覆盖冬播谷子的保苗率低，需加大播量

晋北冷凉半干旱区全生物降解渗水地膜覆盖冬播谷子的山阴试点和浑源试点受到晚霜冻危害，谷苗冻死率在30%左右，随着群体密度的增大，谷子株高、叶绿素b含量、胞间CO2浓度、最大光化学量子产量和结穗数明显升高，茎粗、叶面积、干重、叶绿素a含量、类胡萝卜素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、表观光合电子传递速率、硝酸还原酶活性、可溶性蛋白含量和穗粒重明显降低，而对叶绿素（a+b）含量、非光化学猝灭系数和光化学猝灭系数影响较小[16]，播种量和成苗密度的设计应根据地域适宜种植的谷子群体结构综合考虑[17]。本试验中，每穴7～10粒的播量仅仅能维持成穗数在25.5万～30万穗·hm-2，因此，在冷凉半干旱区种植冬播谷子时，需要加大常规种播量到每穴10～12粒，加大杂交种播量到每穴14～16粒，成穗数稳定达到30万～40万穗·hm-2较为合理。

3.5 冬播谷子的鸟害影响大，应采取措施减轻鸟害

全生物降解渗水地膜冬播谷子成熟早，容易遭受鸟害[18]。在晋东南屯留区岗上村试点，由于从7月上旬开始抽穗到8月下旬成熟，成熟期比当地春播谷子提早2个月，又种植在毗邻村庄的农田，面积仅0.7 hm2，开花灌浆期麻雀非常多，虽然采取了声、光、电和驱鸟剂以及人工防鸟等多项措施，防鸟收效甚微，收获期测定岗上村冬播谷子的鸟害损失率高达50%以上。而浑源县洪水村冬播谷子试点，由于种植在远离村庄且种植面积较大，未发生鸟害。为减轻鸟害对冬播谷子产量的影响，一是小面积种植试验时应选用穗部带刚毛的品种、种植在远离村庄鸟少的地段，或架设防鸟网等；二是扩大冬播谷子的连片种植面积。